Laserschweißen ist ein präzises und effizientes Verfahren zum Fügen von Materialien – in der Regel Metallen – mithilfe eines gebündelten Lichtstrahls. Es trägt hochintensive Energie schnell und punktgenau ein, erzeugt dabei nur minimale Wärmeverzerrungen und ermöglicht komplexe Schweißgeometrien. Diese Eigenschaften machen das Verfahren besonders attraktiv für Branchen wie die Automobilindustrie, die Luft‑ und Raumfahrt sowie die Elektronikfertigung.
Was bei der Entwicklung von Laserprozessen häufig übersehen wird, ist die Übertragung eines Laserschweißprozesses vom Labor in die vollumfängliche Serienproduktion. Dieser Übergang erfordert weit mehr als nur technische Expertise – er setzt eine sorgfältige Planung und Prozessentwicklung voraus, um konsistente, hochwertige Ergebnisse sicherzustellen. Herausforderungen wie schwankende Schweißqualität, Materialvariationen oder unzureichende Spann‑ und Werkzeugkonzepte können beim Hochskalieren auftreten.
Das Verständnis der einzelnen Phasen der Laserschweißprozessentwicklung sowie die Zusammenarbeit mit einem Automatisierungspartner, der über ein eigenes Laserlabor verfügt, helfen Herstellern, diese Herausforderungen zu meistern. Dieser Ansatz ermöglicht einen reibungslosen Übergang zur Großserienproduktion, indem Prozesse verfeinert, Werkzeuge optimiert und Lösungen gezielt an die jeweiligen Materialeigenschaften angepasst werden.
Entwicklung eines Laserschweißprozesses
Die richtige Entwicklung eines Laserschweißprozesses erfordert einen strukturierten, schrittweisen Ansatz. Wir gliedern diesen in fünf (5) Phasen:
- Materialien und Anforderungen: Der Prozess beginnt mit einem umfassenden Verständnis der Materialien und Anforderungen. Dieser grundlegende Schritt ist entscheidend, da jedes Material einzigartige Eigenschaften besitzt, die beeinflussen, wie es auf das Laserschweißen reagiert. Dieses Wissen hilft dabei, Prozess und Werkzeugauslegung passgenau anzupassen und sicherzustellen, dass von Anfang an die richtigen Parameter verwendet werden. Auf dieser Basis können Sie die passende Laserquelle, Optik und Bewegungsplattform auswählen.
- Bead-on-Plate: In diesem Schritt wird eine saubere, gleichmäßige Raupe auf einem einzelnen Materialstück erzeugt. Dadurch lassen sich die richtigen Lasergeschwindigkeiten und Leistungsparameter bestimmen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Wichtig ist sicherzustellen, dass die initialen Laserparameter (z. B. Geschwindigkeit, Wobbeln, Leistung) eine hochwertige Schweißraupe erzeugen.
- Coupons-Phase: Nun werden mehrere Teile miteinander verbunden – mit einem kleinen „Spalt“ zwischen den Bauteilen. Diese Phase baut auf den Erkenntnissen der Bead‑on‑Plate‑Versuche auf und bestätigt, dass trotz des minimalen Spalts eine gute Schweißqualität erreicht und gehalten werden kann.
- Single-Part-Ansatz: Bei Schweißprozessen mit mehreren wiederkehrenden Schweißpositionen wird zunächst an einem einzelnen Bauteil begonnen. Eine feste Position wird gewählt, um zu überprüfen, ob der Schweißprozess wiederholbar ist und die definierten Parameter verifiziert werden können. Dieser Schritt stellt sicher, dass der Prozess unter realistischen Produktionsbedingungen reproduzierbar und stabil ist.
- Multi-Part-Ansatz: In der letzten Phase werden dieselben Parameter über mehrere Bauteile in einer Anordnung getestet. Dadurch wird bewertet, wie der Prozess im größeren Maßstab funktioniert und ob er robust genug für die Serienfertigung ist. Die Schweißparameter können sich leicht ändern, je nach Laserposition in der Optik. Zu berücksichtigende Faktoren sind unter anderem Strahlwinkel, Verzerrungen durch die Linse an unterschiedlichen Positionen und die Parallelität der Optik zum Werkstück.
Herausforderungen in der Entwicklung von Laserschweißprozessen
Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung eines Laserschweißprozesses ist das Verständnis der verwendeten Materialien. Wie oben erwähnt, hat jedes Material seine eigenen Schweißanforderungen. Beim Schweißen unterschiedlicher Materialien – etwa Aluminium und Stahl – können Unterschiede in den thermischen Eigenschaften die Ausbildung einer starken Verbindung erschweren. Zudem kann übermäßiges Vermischen im Schmelzbad zur Bildung spröder intermetallischer Phasen führen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert ein tiefes Verständnis der Materialwissenschaft sowie die Fähigkeit, den Prozess an die spezifischen Eigenschaften jedes Materials anzupassen.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, einen geeigneten Prozess und automatisierte Spannmittel zu entwickeln, um die Wärmeeinbringung zu kontrollieren, Verzug zu vermeiden und eine gleichbleibend hohe Schweißqualität sicherzustellen. Spannvorrichtungen müssen so konstruiert sein, dass sie die Bauteile während des Schweißens sicher und präzise fixieren, um Probleme wie Spalte oder Fehlstellungen zu verhindern, die die Schweißqualität beeinträchtigen könnten. Eine allgemeine Faustregel lautet, dass Spalte 10 % der Fügstellenstärke nicht überschreiten sollten.
“Man kann keine Luft schweißen”
Hochskalieren für die Produktion
Sobald ein erster Laserschweißprozess entwickelt wurde, ist es an der Zeit, vom Labor‑ oder Testumfeld in die Produktion überzugehen. Dieser Übergang umfasst mehrere entscheidende Schritte, um einen reibungslosen Ablauf sicherzustellen. Der Prozess beginnt mit einer Pilotlinie, in der geringe Stückzahlen unter Einsatz von Werkzeugen produziert werden, die den späteren Produktionsprozess repräsentieren. Dadurch kann das Fertigungsteam mögliche Probleme frühzeitig erkennen und beheben sowie sicherstellen, dass Prozessparameter und Werkzeuge optimiert sind, bevor zur vollumfänglichen Serienproduktion übergegangen wird.
Nach Abschluss der Pilotlinienphase folgt der Übergang zur Produktionslinie, bei der produktionsreife Werkzeuge mit der erforderlichen Taktzeit betrieben werden, um die Anforderungen einer Serienfertigung bzw. Großserienproduktion zu erfüllen.
Ein strukturierter Ansatz
Die Überführung eines Laserprozesses vom Labor in die Produktion erfordert einen klar definierten, strukturierten Ansatz. Bei ATS Industrial Automation arbeiten wir eng mit unseren Laserpartnern sowie unserem eigenen Laserlabor zusammen, um eine kontrollierte Umgebung zu schaffen, in der wir Werkzeuge testen und gleichzeitig die Laserschweißprozesse weiter verfeinern.
Unsere Expertinnen und Experten aus den Bereichen Materialwissenschaft, Automatisierung und Lasertechnik verfügen über umfassendes Fachwissen und langjährige Erfahrung. Sie integrieren Laserprozesse nahtlos in automatisierte Montagelinien. Gemeinsam mit unseren Kunden analysieren sie Anforderungen und Materialien, um einen optimierten Schweißprozess sowie passgenaue Werkzeuge und kundenspezifische Spannsysteme zu entwickeln, die exakt auf die jeweiligen Produkt‑ und Fertigungsanforderungen zugeschnitten sind.
Indem automatisierte Werkzeuge und Spannsysteme parallel zum Laserprozess entwickelt werden, kann unser Team Anpassungen und Verbesserungen in Echtzeit vornehmen. Unsere hausinterne Fertigung und Rapid-Prototyping‑Kapazitäten ermöglichen es, individuelle Werkzeuglösungen schnell zu entwickeln und zu testen, sodass das Endprodukt reif für die Produktion ist. Dieser Ansatz steigert nicht nur die Qualität der Schweißnähte, sondern reduziert zugleich den Zeit‑ und Kostenaufwand für Nacharbeit.
Die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Automatisierungspartner bietet zudem wertvolle Einblicke zur Optimierung der Skalierbarkeit eines Laserprozesses, sodass dieser effizient auf mehrere Produktionslinien übertragen werden kann. ATS Industrial Automation hat bereits über 110 Batterie-Montage- und Testlinien geliefert und verfügt über nachgewiesene Erfahrung darin, präzisionsbasierte Schweißprozesse vom Labor bis hin zu anspruchsvollsten Hochvolumen‑Produktionslinien erfolgreich zu skalieren.
Jeder Laserschweißprozess ist einzigartig. Lassen Sie uns Ihre Herausforderungen verstehen und Ihnen zeigen, wie Automatisierung Ihr Projekt termingerecht starten kann.
Andrew Michael
Laser Process Specialist
ATS Industrial Automation
Andrew Michael ist ein erfahrener Spezialist für Laserprozesse mit umfassender Expertise in der Entwicklung und Optimierung von Laserschweißtechniken. Er setzt sich engagiert dafür ein, Fertigungsprozesse durch innovative Laseranwendungen weiterzuentwickeln und hochwertige, präzise Ergebnisse in verschiedenen industriellen Bereichen sicherzustellen.